CZ20001971A3 - Kabel pro vinutí na vysoké napětí v elektrických strojích - Google Patents

Abstract

Kabel pro vinutí na vysoké napětí v elektrických strojích zahrnuje izolovaný vodič, tvořený jedním nebo více prameny (12), první polovodičovou vrstvu (14), obklopující prameny (12), první izolační vrstvu (16), obklopujíc! první polovodičovou vrstvu (14), druhou polovodičovou vrstvu (18), obklopující první izolační vrstvu (16) a třetí polovodičovou vrstvu (19), obklopující druhou polovodičovou vrstvu (18). Třetí polovodičová vrstva (19) je uzemněna v alespoň dvou rozdílných bodech, uspořádaných podél kabelu (10). Elektrická vodivost ve třetí polovodičové vrstvě (19)je přerušena přerušením (20), provedeným mezi ■ O každými dvčma po sobě jsoucími uzemněnými body.

Description

Kabel pro vinutí na vysoké napětí v elektrických strojích

Oblast techniky

Vynález se týká kabelu pro vinutí na vysoké napětí v rotačních elektrických strojích a případně rovněž v transformátorech.

Kromě toho se vynález týká rotačního elektrického stroje zahrnujícího výše uvedený kabel.

Vynález zejména nachází použití v generátoru elektrárny pro výrobu elektrické energie.

Vynález je použitelný v rotačních elektrických strojích, jakými jsou např. synchronní stroje. Vynález je použitelný rovněž i v jiných elektrických strojích, jakými jsou např. dvojité napájecí stroje, asynchronní statické proudové kaskády, stroje s vnějším polem a synchronní průtokové stroje, ve kterých poskytuje elektriké kabely pro vinutí na vysoké napětí. Vysokým napětím se v tomto textu rozumí elektrické napětí větší než 10 kV, zejména vetší než 36 kV, výhodně větší než 36 kV a výhodně větší než 72,5 kV a až k velmi vysokým napětím, např. 400 kV až 800 kV nebo vyšší.

Dosavadní stav techniky

Za účelem vysvětlení stroje souvisejícího s vynálezem je v následujícím textu této přihlášky vynálezu učiněn popis * ··* · · ··· · · · · ·* · · · · ··· ·· · ···*· «···· ···· ·· ·· ··· ·· ·· rotačního synchronního elektrického stroje. První část tohoto popisu bude věnována magnetickému obvodu tohoto stroje a jeho konstrukce dosažené konvenčními technikami. Poněvadž ve většině případu se magnetický obvod nachází ve statoru, magnetický obvod je v následujícím textu popsán ve formě statoru se skládaným jádrem, přičemž vinutí tohoto statoru je nazýváno statorovým vinutím a drážky ve skládaném jádře statorovými drážkami nebo pouze drážkami.

Statorové vinutí je uloženo v drážkách vytvořených ve skládaném železném jádře, přičemž tyto drážky mají pravoúhlý nebo lichoběžníkový průřez. Každé vinutí jedné fáze zahrnuje množinu sériově zapojených skupin cívek, přičemž každá skupina cívek zahrnuje množinu sériově zapojených cívek. Část cívky, která se nachází uvnitř statoru se označuje jako strana cívky a část cívky, která se nalézá vně statoru se označuje jako konec vinutí. Cívka zahrnuje jeden nebo více vodičů uvedených dohromady do určité výšky a/nebo šířky.

Mezi každým vodičem se nachází tenká izolace, jakou, je např. izolace z epoxydových/skleněných vláken.

Cívka je izolována od drážky cívkovou izolací, tj . izolací dimenzovanou na jmenovité napětí stroje vůči zemi. Tato izolace může být vyrobena z materiálu s různými plastovými, pryskyčičnými a skleněnými vlákny. Uvedená izolace je obvykle zhotovena z tzv. slídové pásky, což je směs slídy a tvrdé plastické hmoty. Slídová páska je odolná vůči částečným výbojům, které způsobují rychlý průraz izolace. Cívka se opatří izolací ovinutím slídové pásky kolem cívky v několika vrstvách. Izolace se impregnuje a potom se strana cívky natře barvou na bázi grafitu pro zlepšení » » » « * · * · · • · · · ♦ »« • 9 * « t · «·«· ·· « * ··* částmi statoru, který je dotyčnou intenzitou proudu kontaktu izolace s obklopujícími spojen se zemním potenciálem.

Průřez vodičem vinutí je určen a použitou technikou- chlazení. Vodič a cívka mají obvykle pravoúhlý tvar pro dosažení maximálního množství vodičového materiálu v drážce. Typická cívka je tvořena tzv. Roebelovými tyčemi, z nichž některé mohou mít dutou formu pro průchod chladivá. Roebelova tyč zahrnuje množinu pravoúhlých, paralelně zapojených, měděných vodičů, které se po 360° kříží podél drážky. Mohou být použity i Ringlandoví tyče, ve kterých se vodiče kříží po 540° nebo jiné typy křížení vodičů v drážce. Křížení vodičů v v drážce se provádí kvůli zamezení výskytu cirkulačních proudů, které jsou generovány magnetickým polem v průřezi vodičového materiálu.

Z mechanických a elektrických důvodů stroj nemůže být vyroben v libovolné velikosti. Výkon stroje je v podstatě určen třemi faktory, tj.

- proudovou hustotou vodiče vinutí, která při normální provozní teplotě v měděném vodiči má např. maximální hodnotu 3 až 3,5 A/mm²,

- maximální hodnotou hustoty toku (magnetickéhé toku) ve statorovém a rotorovém materiálu, a maximální hodnotou dielektrické pevnosti izolačního materiálu.

Vícefázová střídavá vinutí jsou provedna bud' ve formě jednovrstvých nebo dvouvrstvých vinutí. U jednovrstvých vinutí připadá na jednu drážku pouze jedna strana cívky a u -dvouvrstvých vinutí připadají na jednu drážku dvě strany • ··· ϊ · ··· · · · · • « · · · · · · · · · ··· · · · ···· ··*· *· ·* ··· *· *· cívky. Dvouvrstvá vinutí jsou obvykle provedena ve formě vinutí se stejnými cívkami, zatímco jednovrstvá vinutí mohou být provedena ve formě vinutí se stejnými cívkami nebo soustředného vinutí. U vinutí se stejnými cívkami se vyskytuje pouze jeden cívkový krok (nebo případně dva cívkové kroky), zatímco plochá vinutí jsou provedena ve formě soustředného vinutí, to znamená vinutí se značně proměnným cívkovým krokem. Cívkovým krokem se rozumí obvodová vzdálenost mezi dvěma stranami, náležícími stejné cívce, vztažená na relevantní pólovou rozteč nebo počet mezilehlých drážkových roztečí. Podle toho, jaké vlastnosti mají být u vinutí dosaženy, se volí vinutí s různě upraveným krokem, např. vinuti se zkráceným krokem.

Typ vinutí značnou měrou určuje vzájemné spojení stran cívek vně statoru, tj. u čel vinutí.

Vně skládaného jádra statoru cívky nejsou opatřeny nanesenou polovodičovou vrstvou se zemním potenciálem. Konec čela vinutí je obvykle opatřen prostředkem pro regulaci pole ve formě tzv. laku pro ochranu před koronou, který převádí radiální průběh pole na axiální průběh pole, což znamená, že izolace na koncích čel vinutí získává vysoký potenciál vůči zemi. To někdy způsobuje koronu v oblasti čela vinutí, což má na izolaci destruktivní účinky. Kromě toho u rotačního elektrického stroje způsobují problémy tzv. pole-regulující body při čelech vinutí.

Všechny velké stroje jsou provedeny s dvouvrstvými vinutími a stejně velkými cívkami. Každá cívka je umístěna jednou stranou v jedné ze dvou vrstev a druhou stranou v druhé ze dvou vrstev. To .znamená, že se všechny cívky

V w • ·

4 • 4 * « · · • ·«» · · ··· · · · · · • · · · · ···« ·· ·· 4·· ·· ·· vzájemně kříží u čel vinutí. V případě, že se použije více než dvě vrstvy, potom křížení cívek činí manipulaci z vinutím obtížnou a nepříznivě ovlivňuje kvalitu čel vinutí.

Jak je to známé, synchronní stroj/generátor musí být připojen k silové sítí skrze tvz. zvyšovací transformátor zapojený v konfiguraci hvězda-trojúhelník, poněvadž napětí silové sítě obvykle dosahuje hodnot vyšších, než je napětí rotačního elektrického stroje. Transformátor společně se synchronním strojem tudíž tvoří celistvou jednotku elektrárny. Nevýhodou transformátoru je to, že zvyšuje náklady spojené s rotačním elektrickým strojem a snižuje celkovou účinnost dotyčného systému. Vzhledem k tomu by bylo výhodné sestavit elektrický stroj dimenzovaný na značně vysoká napětí, který by nevyžadoval zvyšovací transformátor.

Během posledních několika desetiletí se na rotační elektrické stroje s vyššími jmenovitými napětími začaly klást větší požadky, které nemohly být splněny dříve používanými konstrukcemi dotyčných strojů. Maximální hodnota napětí, kterou bylo podle stavu techniky možné dosáhnout u synchronních strojů s' dobrou účinností provozu cívek, činí přibližně 25 až 30 kV.

Některé nové přístupy ke konstrukci synchronních strojů jsou popsány v publikaci Water-and-oil-cooled. Turbogenerátor TVM-300, J. Elektrotechnika, No. 1, 1970, str. 6-8, patentu US 4,429,244 a v sovětském patentu č. 955369.

Synchronní stroje chlazené vodou a olejem popsané ve výše uvedené publikaci J. Elektrotechnika jsou dimenzovány na napětí až k 20 kV. V této publikaci je popsán nový izolační systém založený na kombinaci olejové, a papírové izolace, φφφ · • · φ ♦ φ · ···· φφ φφ Φ·Φ φφ φφ která umožňuje úplné ponoření statoru do oleje. Olej potom muže být současně použít jako chladivo a izolant. Za účelem zamezení úniku oleje ve statoru ven směrem k rotoru na vnitřním povrchu jádra je uspořádán dielektrický prstenec pro oddělení oleje. Statorové vinutí je vyrobeno z vodičů s oválným dutým průřezem a s olejovou a papírovou izolací. Strany cívek s jejich izolací jsou připevněny k drážkám s pravoúhlými průřezy pomocí klínů. Jako chladivo je olej použit jak v dutých vodičích tak i v otvorech statorových stěn. Avšak tento chladící systém má 2a následek velký počet spojení oleje a částí pod proudem u čel vinutí. Tloušťka izolace rovněž způsobuje zvýšení poloměru zakřivení vodičů, což zase vede k většímu přesahu statorového vinutí.

Výše uvedený americký patent popisuje stator synchronního stroje, který zahrnuje skládané magnetické jádro s lichoběžníkovými drážkami pro statorové vinutí. Průřezy drážek se zužují, poněvadž se potřeba izolace pro statorové vinutí snižuje směrem k vnitřku rotoru, kde se nacházejí části vinutí, které jsou nejblíže k nulovému bodu. Kromě toho stator zahrnuje dielektrický válec pro izolování oleje, uspořádaný nejblíže k vnitřnímu povrchu jádra. Tento kunstrukční prvek klade vyšší požadavky na magnetizaci ve srovnání se stroji bez tohoto dieletrického válce. Statorové vinutí je provedeno z kabelů ponořených do oleje, přičemž tyto kabely mají stejný průměr pro každou vrstvu cívky. Jednotlivé vrstvy cívek jsou v drážkách vzájemně odděleny distančními prvky a upevněny klíny. Specifický znak vinutí spočívá v tom, že vinutí zahrnuje tzv. púlvinutí zapojená do série. Jedno ze dvou púlvinutí je vystředěno uvnitř izolační objímky. Vodiče statorového vinutí jsou chlazeny obklopujícím « · ·· * · ···· • · · ♦

• · · • ·

♦ · · olejem. Nevýhodou vyplývající z velkého množství oleje v systému je riziko úniku oleje a následné náročné čistění stroje, které může vést k poruchovému provozu stroje. Části izolační objímky, které jsou umístěny vně drážek mají válcovité části a kuželovitá zakončení zesílená vrstvami pro vedení elektrického proudu, jejichž účelem je regulace díelektrické pevnosti v oblasti, ve které je kabel vyveden k čelu vinutí.

Uvedený patent SU 955369 popisuje další přístup ke zvýšení jmenovitého napětí synchronního stroje, jehož statorové vinutí chlazené olejem zahrnuje konvenční kabel na vysoké napětí s rozměry stejnými pro všechny vrstvy. Kabel je umístěn ve statorových, radiálně uspořádaných, drážkách s kruhovým průřezem rozměrově odpovídajícím průřezu kabelu a prostoru nutnému pro upevnění kabelu v drážce a pro vedení chladívá. Rozdílné radiálně uspořádané vrstvy vinutí jsou obklopeny izolačními trubicemi a upevněny v těchto izolačních trubicích. Izolační trubice jsou připevněny ve statorových drážkách izolačními distančními prvky. Kvůli olejovému chlazení je rovněž i- v tomto synchronním stroji žádoucí vnitřní dielektrický prstenec pro izolování olejového chladivá od vnitřní vzduchové mezery. Stejné nevýhody oleje u výše popsaného systému se vyskytují rovněž i u tohoto provedení synchronního stroje. Toto provedení se rovněž vyznačuje velmi úzkým radiálním zúžením mezi rozdílnými statorovými drážkami, které způsobuje intenzivní rozptylový tok v drážkách, který značně ovlivňuje magnetizační podmínky stroje.

Ve zprávě výzkumného ústavu elektrické energie (Electric Power Research Institute) pod označením El-3391 z roku 1984 ««9 999 9 · 9 9

999 9 9 <99 9 9 9 9 • 9 · 9 9 9 9 · 9 99 9

99 99 9 999«

9999 99 99 999 99 99 je popsáno řešení problému týkajícího se připojení rotačního elektrického stroje k silové síti bez použití mezilehlého transformátoru. Toto řešení spočívá v použití supravodivého rotoru generátorech pro přímé spojení k silové síti. Velká magnetizační kapacita supravodivého pole umožňuje použití bezd.rážkového vinutí s dostatečnou tloušťkou izolace odolnou vůči elektrickému namáhání. Řešení předpokládá provedení magnetického obvodu s vinutím ve formě monolitická válcové kotvy, kde vinutí zahrnuje dva válce vodičů soustředně uzavřených ve třech válcových izolačních krytech s tím, že celá tato struktura je připevněna k železnému jádru bez zubů. Z tohoto řešení vyplývá, že hlavní izolace musí být dostatečně tlustá k tomu, aby odolala působení potenciálů existujících mezí fázemi sítě a mezi sítí a zemí. V rámci řešení uvedeného problému bylo zjištěno, že vhodným izolačním systémem, který by odolal zvýšení elektrického napětí, je systém, který se běžně používá v silových transformátorech, a který spočívá v použití dielektrické, tekutinou-ipregnované lesklé lepenky na bázi celulosy. Zjevnou nevýhodou navrhovaného řešení je kromě nutnosti použití supravodivého motoru rovněž i potřeba velmi tlusté izolace, která zvětšuje velikost dotyčného stroje. Mimoto čela vinutí musí být izolovány a chlazeny olejem nebo freony za účelem regulace velkých elektrických polí působících v oblasti čel vinutí. Kromě toho celý stroj musí být hermeticky uzavřen, aby se zamezilo absorpci vlhkosti z atmosféry v kapalném dielektriku.

Japonská přihláška vynálezu JP-A-8-195129 popisuje kabel na vysoké napětí, zejména dlouhý kabel typu CV na velmi vysoké napětí, který má dvě plášťové polovodičové vrstvy, • φφφ φφφ φ «

Φ Φ 4

Φ Φ I ·· ΦΦΦ «φφφ φφ přičemž vnitřní vrstva z těchto dvou vrstev má měrný odpor vyšší, než má vnější vrstva z těchto dvou vrstev. Avšak kvůli vnějšímu kovovému stínění tohoto kabelu, by bylo zcela nevhodné a nebezpečné použít tento kabel v rotačním stroji nebo transformátoru.

Jak je to známé, kabel na vysoké napětí používaný pro přenos elektrické energie je tvořen vodiči s pevnou vytlačenou izolací s vnitřní a vnější polovodičovou částí. V systému přenosu elektrické energie je žádoucí, aby izolace byla prostá defektů. Tento požadavek byl dlouhou dobu považován za rozhodující při přenosu elektrické energie. Nicméně pokud byl kabel na vysoké napětí použit pro přenos elektrické energie, nebylo cílem dosáhnout maximální hodnoty proudu protékající kabelem, poněvadž dosavadní stav techniky nebyl omezen na přenosové kabely.

Při výrobě rotačních elektrických strojích podle dosavadního stavu techniky je vinutí zhotoveno z vodičů a izolačních systémů v několika výrobních stupních, přičemž vinutí musí být předem tvarováno před jeho upevněním na magnetickém obvodě. Impregnování vinutí za účelem vytvoření žádoucího izolačního systému je provedeno po upevnění vinutí na magnetickém obvodě.

Jak je to známé, zvýšení výkonu rotačního stroje se provádí zvýšením proudu na střídavých cívkách. To je dosaženo optimalizací množství vodivého materiálu, tj . zhutněním vodičů v drážkách rotoru, tj. uspořádáním vodičů s pravoúhlým průřezem v pravoúhlých drážkách rotoru. Zvýšení teploty vyplývající s uvedeného zhutnění vodičů v drážkách je kompenzováno použitím izolačních materiálů se zvýšenou • 444 4 4 444 4 4 4 * • 4 4 4 · · »4« «4 4 « «4 44 4 4444

4444 44 44 ·«> 44 44 kvalitou a tepelně odolných materiálů, a tudíž nákladnějších izolačních materiálů. Vysoká teplota a vysoké zatížení izolace elektrickým polem rovněž způsobuje problémy související s žívitností izolace. V relativně tlustých izolačních vrstvách, které jsou použity pro stroje na vysoké napětí, např. impregnovaných vrstvách ze slídového pásku, částečné výboje představují vážný problém. Při výrobě těchto izolačních vrstev mohou jednoduchým způsobem vzniknout dutiny nebo póry, ve kterých při působení vysokého elektrického pole na izolaci vznikají částečné koronové výboje. Tyto koronové výboje postupně degradují materiál a mohou vést k eletrickému průrazu izolace.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je vyrobit rotační elektrický stroj na vysoké napětí bez komplikovaného tvarování vinutí před jeho připevněním a bez impregnování izolačního systému po připevnění vinutí.

Cílem vynálezu je hospodárné zvýšení výkonu rotačního elektrického stroje při dodržení podmínky, že izolační systém tohoto stroje nebude elektricky proražen výše uvedenými jevy. To může být dosaženo použitím izolačních vrstev vytvořených takovým způsobem, že riziko výskytu dutin a pórů je minimální. Jako příklad mohou být uvedeny vytlačené vrstvy vhodného pevného izolačního materiálu, jakým je např. termoplastická pryskyřice, zesítěná termoplastická pryskyřice, kaučuk, např. silikonový kaučuk, apod.. Kromě • · · · φ ·· ····· · · · · · ··«· «· ·* ·«· ·· ·* toho je důležité, že izolační vrstva je opatřena vnitřní vrstvou s polovodičovými vlastnostmi, která obklopuje vodič, a alespoň jednu dodatečnou vnější vrstvu s polovodičovými vlastnostmi, která obklopuje izolaci. Materiálem s polovodičovými vlastnostmi se v tomto textu rozumí materiál, který má značně nižší vodivost než elektrický vodič, avšak nemá tak nízkou vodivost, aby byl považován za izolant. Použitím pouze izolačních vrstev, které mohou být vyrobeny s minimálním výskytem defektů a které jsou opatřeny vnitřní a vnější polovodičovou vrstvou, může být tepelné a elektrické zatížení omezeno. Alespoň jedna z polovodičových vrstev přilehlá k izolační vrstvě by měla mít tepelný koeficient roztažnosti stejný, jako je tepelný koeficient roztažnosti izolační vrstvy. Při teplotních gradientech tudíž by nemělo docházet k defektům způsobeným rozdílnou teplotní roztažnosti materiálu izolační vrstvy a materiálů vrstev obklopujících izolační vrstvu. Kromě toho elektrické zatížení materiálu izolační vrstvy se sníží v důsledku skutečnosti, že polovodičové vrstvy kolem izolace vytváří ekvipotenciální povrchy a elektrické pole v izolační vrstvě je rovnoměrně distribuováno v tloušťce této izolační vrstvy. Vnější polovodičová vrstva může být spojena se zvoleným potenciálem, jakým je např. zemní potenciál. To znamená, že u takového kabelu vnější plášť vinutí v celé délce může být ponechán, např. při zemním potenciálu. Vnější vrstva rovněž může být ve vhodných oblastech podél délky vodiče přerušena a každá dílčí část vnější vrstvy vzniklá přerušením vnější vrstvy může být přímo spojena se zvoleným potenciálem.

Předmětem vynálezu je kabel, definovaný v nároku 1, pro vinutí na vysoké napětí v rotačním elektrickém stroji a • · · 9 * I * t « • ··· 9 9 ··· « · · · * 9 · 9 * · 9 · « · «

99 9 · 9 · 9 9 9

99·· ·· β· ·«· ·· «« rotační elektrický stroj zahrnující tento kabel. Kabel podle vynálezu na vysoké napětí zahrnuje izolovaný vodič tvořený jedním nebo více prameny obklopenými první polovodičovou vrstvou. Tato první polovodičová vrstva je zase obklopena první izolační vrstvou, která je obklopena druhou a třetí polovodičovou vrstvou. Druhá polovodičová vrstva má vyšší měrný odpor než třetí polovodičová vrstva, která je uzemněna alespoň ve dvou různých bodech podél kabelu na vysoké napětí. Část kabelu, která leží ve statorových drážkách by měla být elektricky izolována od magnetických ocelových částí- statoru. Mezi každou dvojicí uzemněných bodů podél kabelu na vysoké napětí, je kontinuita elektrického kontaktu ve třetí polovodičové vrstvě přerušena. Při každém tomto přerušení ve třetí polovodičové vrstvě může být uspořádáno zařízení pro omezení zesílení intenzity elektrického pole při tomto přerušení.

Pomocí kabelu na vysoké napětí podle vynálezu nejsou způsobeny žádné tepelné ztráty indukovaným napětím ve vnější polovodičové vrstvě. U kabelu na vysoké napětí podle vynálezu je riziko elektrického-průrazu sníženo na minimum. V důsledku toho, že uvedené přerušení je vytvořeno ve třetí izolační vrstvě a tudíž nehrozí žádné riziko narušení izolační vrstvy, druhá polovodičová vrstva zůstává v podstatě nedotčena.

Dalším poznatkem získaným v souvislosti s vynálezem je to, že zvýšené proudové zatížení vede k nežádoucím koncentracím elektrického pole v rozích průřezu cívky, přičemž tyto koncentrace způsobují velké lokální zatížení izolace v těchto rozích průřezu cívky. Rovněž do uvedených rohů průřezu cívky je koncentrováno magnetické pole v zubech statoru. To znamená, že vzniká lokální magnetická saturace, ft · « ftftft « ft « • ftftft ft ftftftftft* * ftftft ftft ft ftftftft ftftftft ftft ftft «· ftft ftft magnetické jádro není plné využito a viny generované napětím/proudem budou deformovány. Kromě toho ztráty způsobené indukovanými vířivými proudy, které vznikají v důsledku geometrie vodičů vůči magnetickému poli, mají za následek nevýhodné zvýšení proudové hustoty. Další zlepšení vynálezu spočívá ve vytvoření cívek a drážek, ve kterých jsou cívky uloženy, s kruhovým průřezem na místo pravoúhlého průřezu. Kvůli tomuto kruhovému průřezu jsou cívky obklopeny konstantním magnetickým polem, v důsledku čehož nedochází ke koncentraci magnetického pole a tudíž k magnetické saturaci v oblastech této koncentrace·. Rovněž elektrické pole v cívce je rovnoměrně distribuováno v průřezu cívky a lokální zatížení izolace je značně sníženo. Kromě toho cívky s kruhovým průřezem je jednodušší uložit do drážek a uspořádat v drážkách tak, aby počet cívkových stran na jednu cívkovou skupinu mohl být zvýšen a mohlo být provedeno zvýšení napětí bez toho, že by musel být zvýšen proud ve vodičích. Důvodem pro použití cívek a drážek s kruhovým průřezem je zjednodušení chlazení vodičů jednak nižší proudovou hustotou a tudíž nižšími teplotními gradienty v izolaci a jednak kruhovým průřezem drážkami, který má za následek rovnoměrnější teplotní distribuci v průřezu. Dodatečné zlepšení může být rovněž dosaženo vytvořením vodiče z menších částí, tzv. pramenů. Tyto prameny mohou být . vzájemně izolovány a pouze malý počet těchto pramenů může být ponechán neizolován a uveden do kontaktu s vnitřní polovodičovou vrstvou tak, aby tato vnitřní polovodičová vrstva měla stejný potenciál jako vodič.

Výhodou použití rotačního elektrického stroje podle vynálezu je to, že tento stroj může být provozován při • ··· * ··· • · ·· · »· přetížení po značně delší dobu ve srovnání s konvenčními stroji, bez toho, že by tento stroj byl poškozen. To je důsledek konstrukce rotačního elektrického stroje podle vynálezu a omezené tepelné zátěže izolace. Jako příklad může být uvedeno, že uvedený stroj může být provozován při 100 % přetížení po dobu vyšší než 15 minut a dobu až ke dvěma hodinám.

V jednom provedení podle vynálezu magnetický obvod rotačního elektrického stroje zahrnuje vinutí z kabelu s jedním nebo více vodiči s vytlačenou pevnou izolací s polovodičovou vrstvou uspořádanou jak při vodiči tak i plášti kabelu. Vnější polovodičová vrstva může být spojena ze zemním potenciálem. Za účelem řešení problémů, které vyplývají z přímého spojení rotačních elektrických strojů se všemi typy silových sítí na vysoké napětí, stroj podle vynálezu má několik znaků, kterými se odlišuje od strojů z dosavadního stavu techniky.

Jak to bylo výše uvedeno, vinutí rotačního elektrického stroje může být vyrobeno z kabelu s jedním nebo více vodiči izolovanými vytlačenou pevnou izolací s polovodičovou vrstvou uspořádanou jak při vodiči tak i plášti kabelu. Jako typický příklad pevné izolace může být uveden zesítěný polyethylenový (XLPE) a ethylenpropylenový kaučuk. Uvedené prameny vodiče jsou výhodně vzájemně izolovány za účelem omezení velikosti ztrát způsobených vířivými proudy ve vodiči. Jeden nebo několik pramenů může být ponecháno v neizolované formě, aby polovodičová vrstva, která obklopuje dotyčný vodič, měla stejný potenciál jako vodič.

Izolace vodj.ce pro rotační elektrický stroj může být φ φφφ φ · φφφ φ · ♦ · * * φφφ * Φφφ φ φ « • φ φ φ φ * φφφφ «φφ* ·· φφ φφ» φφ φφ aplikována na vodič rovněž i jiným způsosobem než vytlačením, tj. např. nástřikem. Avšak je důležité, aby izolace v celém svém rozsahu neměla defekty a měla stejné tepelné vlastnosti. Polovodičové vrstvy mohou být poskytnuty společně s izolací tak, že jsou ve spojení s touto izolací, která je aplikována na vodiče.

V rámci vynálezu jsou výhodně použity kabely s kruhovým průřezem. Za účelem dosažení lepší hustoty plnění mohou být použity kabely s rozdílným průřezem. Za účelem produkování napětí v rotačním elektrickém stroji je kabel v drážkách magnetického jádra uspořádán v několika po sobě jdoucích závitech. Pro omezení počtu křížení u čel vinutí může být provedeno ve formě vícevrstvého vinutí se soustředně uspořádanými kabely. Pro lepší využití magnetického jádra kabel může být opatřen izolací se zužujícím se průřezem, v důsledku čehož tvar drážek může být přizpůsoben zužující se izolaci vinutí.

Podstatnou výhodou rotačního elektrického stroje podle vynálezu je to, že elektrické pole v oblasti čel vinutí a vně vnější polovodičové vrstvy se blíží k nulové hodnotě a za předpokladu, že vnější plášť kabelu má zemní potenciál, elektrické pole nemusí být regulováno. To znamená, že uvnitř plechů skládaného jádra v oblasti čel vinutí nebo v přechodech mezi těmito plechy nedochází k žádným koncentracím pole.

Vinutí zhotovené podle vynálezu je uloženo do drážek zavedením kabelu do otvorů v drážkách v magnetickém jádru. Poněvadž kabel je pružný, může být ohnut, což umožňuje, aby kabel v celé své délce byl vytvarován do ,několika závitů • 444 * 4 • · 444 ♦ 4

I H I • 44 « ·. 4

4 4 4« · 4 4 4 4

4444 44 44 4«4 «4 44 cívky. Tudíž v kabelu při čelech vinutí se vytvářejí ohnuté zóny. Kabel rovněž může být spojen takovým způsobem, že jeho vlastnosti zůstávají v celém rozsahu kabelu konstantní. Uvedený způsob ukládání vinutí do drážek zjednodušuje konstrukci rotačního elektrického stroje podle vynálezu ve srovnání se stroji z dosavadního stavu techniky. Naproti tomu tzv. Roebelovi tyče nejsou pružné, avšak musí být předběžně vytvarovány do žádoucího tvaru. Mimoto ipregnace cívek prováděná u tohoto typu vinutí je nepřiměřeně komplikovanou a nákladnou technikou při výrobě současných rotačních strojů.

Stručný přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v následujícím textu podrobněji vysvětlen popisem výhodného provedení, ve kterém budou dělány odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje průřez kabelem na vysoké napětí, obr. 2 zobrazuje boční pohled na kabel na vysoké napětí s přerušením ve třetí polovodičové vrstvě.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 zobrazuje průřez kabelem 10 na vysoké napětí, který je podobný kabelu obvykle používanému pro přenos elektrické energie. Kabel 10 na vysoké napětí může být podobný kabelu popsanému v přihlášce vynálezu JP-A-8-195129 a

9 • 99« 9 9 «99

9 9 9 9

9 9 « 9 9 «999 99 99 «9« • 999

9 9 9

9 9 9

99 dimenzovanému na napětí 145 kV s tím rozdílem, že kabel 10 nezahrnuje vnější plášť nebo stínění. Kabel 10 na vysoké napětí zahrnuje elektrický vodič, který je tvořen jedním nebo více prameny 12, např. z mědi, které mají kruhový průřez. Tyto prameny 12 jsou uspořádány ve středu kabelu 10 na vysoké napětí. Kromě toho tyto prameny 12 jsou obklopeny první polovodičovou vrstvou 14, která je zase obklopena první izolační vrstvou 16 tvořenou, např. izolací typu XLPE. První izolační vrstva 16 je obklopena druhou polovodičovou vrstvou 18, která je zase obklopena třetí polovodičovou vrstvou 19, která má měrný odpor nižší než druhá polovodičový vrstva. První polovodičová vrstva 14, druhá polovodičová vrstva 18 a třetí polovodičová vrstva 19 jsou vytvořeny z polymerního materiálu, jakým je např. ethylenvinilacetatový kopolymer/nitrilový kaučuk, butylem roubovaný polyethylen, ethylenethylakrylátový kopolymer, ethylenpropenový kaučuk nebo nízko- anebo vysokohustotní polyethyleny plněné sazemi.

Obr.· 2 zobrazuje boční pohled na část kabelu na vysoké napětí s přerušením ve třetí polovodičové vrstvě 19. Jak je to zřejmé z tohoto obrázku, část třetí polovodičové vrstvy 19 ve formě podlouhlého prstence kolem obvodu kabelu 10 na vysoké napětí je vyjmuta, v důsledku čehož v třetí polovodičové vrstvě 19 vznikne přerušení 20. Druhá polovodičová vrstva 18 je tudíž v místě přerušení 20 obnažena. Axiální délka 1 přerušení 20 se pohybuje od 5 do 30 cm. Přerušení kontinuity elektrického kontaktu ve třetí polovodičové vrstvě 19 mezi dvěma uzemněnými body zajišťuje omezený průtok proudu a tudíž v podstatě žádné tepelné ztráty způsobené indukovanými napětími.

Mezinárodní přihláška vynálezu WO97/45918 popisuje kabel • ·· · · Φ·Φ * φ φ * • φ φφφ * φφφ φ · φ •ΦΦΦΦ φφφφφ φφφφ φφ φφ φφφ φφ φφ v podstatě stejný jako kabel 10 na vysoké napětí s tím rozdílem, že nezahrnuje třetí polovodičovou vrstvu 19 a přerušení jsou provedena v druhé polovodičové vrstvě odpovídající druhé polovodičové vrstvě 18 kabelu 10. U kabelu popsaného v přihlášce vynálezu WO97/45918 všechny přerušení v druhé polovodičové vrstvě způsobují zvýšení intenzity elektrického pole při okrajích každého přerušení. Intenzita elektrického pole se zvyšuje silně při okrajích žlábku, které bohužel zvyšují riziko elektrického průrazu. Naproti tomu kabel podle vynálezu zmírňuje tento nedostatek tím, že nějaký proud může dosud protékat skrze druhou polovodičovou vrstvu 18 v oblasti pod přerušením 20.

Kabel 10 na vysoké napětí podle obr. 1, který zahrnuje elektrický vodič tvořený jedním nebo více prameny 12, první polovodičovou vrstvu 14, první izolaci 16, druhou polovodičovou vrstvu 18 a třetí polovodičovou vrstvu 19, může být vyroben vytlačením skrze vhodnou formu. Třetí polovodičová vrstva 19 je uzemněna v alespoň dvou rozdílných bodech podél kabelu na vysoké napětí. V dalším stupni je vždy mezi dvěma uzemňovacími body vytvořeno jedno přerušení 20 v kontinuitě elektrického kontaktu ve třetí polovodičové vrstvě

19. To znamená, že, když je N uzemněných bodů rozložených podél kabelu na vysoké napětí, potom v třetí polovodičové vrstvě 19 je vytvořeno N-l přerušení 20.

Elektrická izolace elektrického kabelu podle vynálezu je dimenzována na velmi vysoké napětí, jakým je např. napětí až k 800 kV nebo vyššímu napětí, než je 800 kV, a na elektrické a tepelné zatížení, které vzniká při tomto napětí. Elektrické kabely podle vynálezu mohou např. tvořit vinutí silových transformátorů se jmenovitými výkony od několika stovek kVA • 4 444

4

444 • 4 4 4

4 4

4444 44 • 4 *•44 4 4 4 4

4 4 4 až k výkonům vyšším než 1000 MVA a s jmenovitými napětími od

3-4 kV až k velmi vysokým přenosovým napětím, t j. napětím 400-800 kV nebo vyšším. Při provozu zařízení na vysoké napětí částečné výboje představují vážný problém pro známé izolační systémy. Když se v izolaci vyskytují dutiny nebo póry, může dojít k částečným výbojů, tj. koroně, které mají nepříznivé účinky na izolaci, které se projevují postupnou degradací izolantu nebo případně elektrickým průrazem izolantu. Elektrické zatížení elektrického izolantu při použtii elektrického vodiče podle vynálezu je omezeno tím, že vnitřní polovodičová vrstva izolačního systému má v podstatě stejný elektrický potenciál jako vodiče středového vodivého prostředku, který tato polovodičová vrstva obklopuje, a tím, že vnější polovodičová vrstva má regulovaný, např. zemní, potenciál. V důsledku toho elektrické pole v elektricky izolační vrtsvě mezi vnitřní a vnější polovodičovou vrstvou je distribuováno v podstatě rovnoměrně v tloušťce mezilehlé izolační vrstvy. Kvůli skutečnosti, že materiály izolačního systému mají stejné tepelné vlastnosti a že ve vrstvách izolačního systému se nachází nepatrné množství defektů, výskyt částečných výbojů při daných provozních napětí je omezen. Elektrický vodič tudíž může být dimenzován na velmi vysoká provozní napětí, typicky napětí až k 800 kV nebo napětí vyššímu, než je 800 kV.

Je samozřejmé, že vynález není omezen na výše uvedené příklady provedení. Odborníkovi jsou zřejmé další možné modifikace, které spadají do rozsahu vynálezu definovaného přiloženými patentovými nároky.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ

   NÁROKY

   1. Kabel (10) pro vinutí na vysoké napětí v elektrických strojích, vyznačený tím, že zahrnuje izolovaný vodič tvořený jedním nebo více prameny (12), první polovodičovou vrstvu (14) obklopující prameny (12), první izolační vrstvu (16) obklopující první polovodičovou vrstvu (14), druhou polovodičovou vrstvu (18) obklopující první izolační vrstvu (16) a třetí polovodičovou vrstvu (19) obklopující druhou polovodičovou vrstvu (18), přičemž třetí polovodičová vrstva (19) je uzemněna v alespoň dvou rozdílních bodech uspořádaných podél kabelu (10), přičemž kontinuita elektrického kontaktu ve třetí polovodičové vrstvě (19) je přerušena přerušením (20) provedeným mezi každými dvěma po sobě jdoucími uzemněnými body.
2. 2. Kabel (10) podle nároku 1, vyznačený tím, že přerušení (20) kontinuity elektrického kontaktu ve třetí polovodičové vrstvě (19) je vytvořeno vyjmutím části třetí polovodičové vrstvy (19) ve formě podlouhlého prstence obklopujícího vnější okraj druhé polovodičové vrstvy.
3. 3. Kabel (10) podle nároku 2, v y z n a č e n ý t í m, že axiální' délka každého přerušení (20) se mění od 5 do 30 cm.
4. 4. Kabel (10) podle některého z předcházejících nároků, ·»·4 ·· 4* 444 44 »« vyznačený tím, že první izolační vrstva (16), první polovodičová vrstva (14), druhá polovodičová vrstva (18) a třetí polovodičová vrstva (19) jsou dimenzovány pro vysoké napětí, vhodně napětí vyšší než 10 kv, zejména napětí vyšší než 36 kV a výhodně napětí vyšší než 72,5 kv a napětí až k velmi vysokým přenosovým napětím, např. napětím 400-800 kV nebo vyšším.
5. 5. Kabel (10) podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že první izolační vrstva (16), první polovodičová vrstva (14), druhá polovodičová vrstva (18) a třetí polovodičová vrstva (19) jsou dimenzovány pro výkon vyšší než 0,5 MVA, výhodně výkon vyšší než 30 MVA a výkon až k 1000 MVA.
6. 6. Elektrický stroj zahrnující kabel (10). podle některého z nároků 1 až 5.
7. 7. Rotační elektrický stroj podle nároku 6.
8. 8. Velký generátor podle nároku 6.
9. 9. Elektrický stroj podle nároku 7 nebo 8, vyznačený t i m, že třetí polovodičová vrstva (19) je elektricky izolována od statoru uvnitř statorové drážky, přičemž třetí polovodičová vrstva (.19) má alespoň jedno přerušení (20) a

   • »·· · · 999 9 9 * • « • · · · · 9 9 9 • · ft • 9 · 9 9 • 9 * * • • ftftft 99 99 999 99 • ft

   alespoň jeden uzemňovací bod v přesahující oblasti pro každou statorovou drážku, kterou kabel (10) prochází.